CN113271279A - 一种窄带物联网随机接入信道的高精度检测方法 - Google Patents

一种窄带物联网随机接入信道的高精度检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于通信系统中的信号检测方法，包括步骤：获取基带时域信号；获取接收信号的频域信号；获得参考信号的LS信道估计值；采用迭代的方法进行频偏估计和频偏补偿、时偏估计和时偏补偿，获得合并后的最终频偏估计和最终时偏估计值；合并信道估计值；计算获得信噪比的估计值；随机接入信号检测。本发明能够提升频偏和时偏的估计精度，提升随机接入信道的检测概率。

Description

一种窄带物联网随机接入信道的高精度检测方法
技术领域
本发明属于移动通信技术领域，尤其涉及一种采用迭代的方法提高频偏和时偏估计精度的窄带物联网随机接入信道的高精度检测方法。
背景技术
随着窄带物联网(Narrow Band Internet of Things，NB-IoT)通信技术的发展，催生了面向低成本、低功耗、广覆盖、远距离、低带宽等种类繁多的业务。
如附图1中显示了一种典型窄带物联网随机接入信号的结构，其中一次完整的随机接入信号发送定义为一个随机接入信号周期，一个随机接入信号周期由若干个前导信号(Preamble)组成，一个前导信号由若干个符号组(Symbol Group)组成，一个符号组由一个循环前缀(CP)和若干个相同的符号组成，同一个符号组的CP和符号处于相同的频域位置，不同符号组之间存在跳频，即处于不同的频域位置，也存在跳时，即不同的符号组处于不同的时域位置，不同用户对应所述一次完整的随机接入信号。
现有技术在多径衰落信道和快速多普勒频移等无线传输信道条件下存在频偏、时偏估计不够准确的问题，这也影响到NPRACH的检测性能。现有技术存在以下缺点：
(1)随机接入信号的时延和频偏估计误差较大；
(2)检测概率低。
发明内容
本发明提供一种在窄带无线通信系统中，通过迭代进行频偏和时偏估计和补偿，提高最终频偏和时偏估计精度，从而提高随机接入信号检测概率的方法。
一种用于通信系统中的信号检测方法，包括步骤：
获取基带时域信号；
对时域信号进行去循环前缀，进行傅里叶变换，获取接收信号的频域信号；
对接收到的频域信号和本地参考信号进行信道估计，获得参考信号的LS(LeastSquare)信道估计值；
采用迭代的方法进行频偏估计和频偏补偿、时偏估计和时偏补偿，获得合并后的最终频偏估计和最终时偏估计值；
使用合并后的最终频偏估计值和合并后的最终时偏估计值补偿LS信道估计值，对齐到同一个符号和子载波位置上，对补偿后的信道估计值进行合并，采用合并后的信道估计值进行信号功率和噪声功率的计算，从而获得信噪比的估计值，使用信噪比估计值与检测门限比较进行随机接入信号检测，信噪比估计值超过检测门限则检测到信号。
本发明的有益效果在于：本发明能够提升频偏和时偏的估计精度，提升随机接入信道的检测概率。
附图说明
图1是NPRACH随机接入信号结构示意图；
图2是本发明的流程图；
图3是本发明包含迭代过程的流程图；
图4是本发明实施例中的时偏补偿和多种频偏估计方法示意图；
图5是本发明实施例中的频偏补偿和多种时偏估计方法示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
一种用于通信系统中的信号检测方法，包括步骤：
获取基带时域信号；
对时域信号进行去循环前缀，进行傅里叶变换，获取接收信号的频域信号；
对接收到的频域信号和本地参考信号进行信道估计，获得参考信号的LS信道估计值；
采用迭代的方法进行频偏估计和频偏补偿、时偏估计和时偏补偿，获得合并后的最终频偏估计和最终时偏估计值；
使用合并后的最终频偏估计值和合并后的最终时偏估计值补偿LS信道估计值，对齐到同一个符号和子载波位置上，对补偿后的信道估计值进行合并，采用合并后的信道估计值进行信号功率和噪声功率的计算，从而获得信噪比的估计值，使用信噪比估计值与检测门限比较进行随机接入信号检测，信噪比估计值超过检测门限则检测到信号。
优选的，采用迭代的方法进行频偏估计和频偏补偿、时偏估计和时偏补偿的内容至少包括以下迭代过程：
进行第一次迭代：进行频偏估计，获得第一频偏估计值；进行时偏估计：如果参与时偏估计的参考信号位置存在跳时，则采用第一频偏估计值和相对于某个时域OFDM符号的时间间隔来补偿参与时偏估计的参考信号对应的信道估计值的相位，使它们的相位能够对齐到同一个OFDM符号上，再进行时偏估计，获得第一时偏估计值；
进行第二次迭代：进行频偏估计，如果参与频偏估计的参考信号位置存在跳频，则使用第一时偏估计值和相对于某个子载波位置的频域间隔来补偿参与频偏估计的参考信号对应的信道估计值，使它们的相位能够对齐到同一个子载波位置上，再进行频偏估计，获得第二频偏估计值；
进行第三次迭代：合并第一频偏估计值和第二频估计偏值，获得第二总频偏值，作为补偿使用的频偏值；进行时偏估计，如果参与时偏估计的参考信号位置存在跳时，则采用第二总频偏估计值和相对于某个时域OFDM符号的时间间隔来补偿参与时偏估计方法二的参考信号对应的信道估计值的相位，使它们的相位能够对齐到同一个OFDM符号上；再进行时偏估计，获得第二时偏估计值；
进行第四次迭代：合并第一时偏估计值和第二时偏估计值，获得第二总时偏估计值，作为补偿使用的时偏值，进行频偏估计，如果参与频偏估计方法三的参考信号位置存在跳频，则使用第三总时偏估计值和相对于某个子载波位置的频域间隔来补偿参与频偏估计的参考信号对应的信道估计值，使它们的相位能够对齐到同一个子载波位置上，再进行频偏估计，获得第三频偏估计值。
优选的，所述迭代的内容中，每次迭代过程采用不同的频偏估计方法和时偏估计方法，迭代停止后，合并后的频偏估计值作为最终频偏估计值，合并后的时偏估计值作为最终时偏估计值。
优选的，所述的迭代的起始从时偏估计开始或者从频偏估计开始。
优选的，每次迭代执行不只一种频偏估计方法、执行不只一种时偏估计方法，估计方法的组合可以是为一个或者多个频偏估计方法、一个或者多个时偏估计方法作为一次迭代。
优选的，迭代的次数为预设的次数或者根据达到时偏估计或者频偏估计的精度后停止迭代。
对所述获得的参考信号的LS信道估计值，采用不同的频偏估计方法进行频偏估计，并且采用不同的时偏估计方法进行时偏估计，这些方法对应不同的频偏估计范围和估计精度：
对不同OFDM符号间隔大小的LS信道估计值求相关，对应不同的频偏估计方法，例如：
使用随机接入信号的同一个符号组内的不同符号进行相关，相关和相位求取频偏值，为第一频偏估计方法；
使用随机接入信号的同一个前导信号内的不同符号组进行相关，相关和相位求取频偏值，为第二频偏估计方法；
使用随机接入信号的同一个随机接入信号周期内的不同前导信号进行相关，相关和相位求取频偏值，为第三频偏估计方法；
对不同子载波间隔大小的LS信道估计值求相关，对应不同的时偏估计方法，
例如，使用随机接入信号的间隔为一个子载波的符号组进行相关，相关和相位求取时偏值，为第一时偏估计方法；
使用随机接入信号的间隔为6个子载波的符号组进行相关，相关和相位求取时偏值，为第二时偏估计方法；
或者是其他时偏估计方法，例如：在特定时延值基础上，使用多个修正量对所述修正基准值进行修正，获得修正后的时偏估计值集合，通过修正后的时偏估计值补偿信道估计后求取最大信噪比对应的时偏估计值，为第三时偏估计方法；
其中如果参与频偏估计的参考信号位置存在跳频，则需要事先补偿不同频域位置上由时偏造成的相位偏转，将参与频偏估计的参考信号的信道估计值对齐到相同的子载波位置上，再进行对应的频偏估计。
如果参与时偏估计的参考信号位置存在跳时，则需要事先补偿不同时域位置上由频偏造成的相位偏转，将参与时偏估计的参考信号的信道估计值对齐到相同的OFDM符号位置上。再进行对应的时偏估计。
本发明基于接收信号的若干信道估计值，分别采用多种频偏和时偏估计的方法进行迭代操作，提高最终频偏和时偏的估计精度，获得更精准的信道估计值和SNR估计值，以提高随机接入信号的检测概率，该迭代操作包括如下步骤：
对接收信号的若干信道估计值，进行第一次迭代，采用第一频偏估计方法进行频偏估计，获得第一频偏估计值；采用第一时偏估计方法进行时偏估计，如果参与时偏估计的参考信号位置存在跳时，则采用第一频偏估计值和相对于某个时域OFDM符号的时间间隔来补偿参与第一时偏估计方法的参考信号对应的信道估计值的相位，使它们的相位能够对齐到同一个OFDM符号上。再利用第一时偏估计方法进行时偏估计，获得第一时偏估计值；
进行第二次迭代，采用第二频偏估计方法进行频偏估计，如果参与第二频偏估计方法的参考信号位置存在跳频，则使用所述的第一时偏估计值和相对于某个子载波位置的频域间隔来补偿参与第二频偏估计方法的参考信号对应的信道估计值，使它们的相位能够对齐到同一个子载波位置上，再利用第二频偏估计方法进行频偏估计，获得第二频偏估计值；
进行第三次迭代，合并第一频偏值和第二频偏值，获得第二总频偏值，作为补偿使用的频偏值，采用第二时偏估计方法进行时偏估计，如果参与第二时偏估计方法的参考信号位置存在跳时，则采用第二总频偏估计值和相对于某个时域OFDM符号的时间间隔来补偿参与第二时偏估计方法的参考信号对应的信道估计值的相位，使它们的相位能够对齐到同一个OFDM符号上，再利用第二时偏估计方法进行时偏估计，获得第二时偏估计值；
进行第四次迭代，合并第一时偏估计值和第二时偏估计值，获得第二总时偏估计值，作为补偿使用的时偏值，采用第三频偏方法进行频偏估计，如果参与第三频偏估计方法的参考信号位置存在跳频，则使用所述的第三总时偏估计值和相对于某个子载波位置的频域间隔来补偿参与第三频偏估计方法的参考信号对应的信道估计值，使它们的相位能够对齐到同一个子载波位置上，再利用第三频偏估计方法进行频偏估计，获得第三频偏估计值；
依次重复上述迭代过程，每次迭代过程采用不同于前一迭代过程的频偏估计方法和时偏估计方法，迭代停止后，以最终合并后的频偏估计值和合并后的时偏估计值补偿LS信道估计值，对齐到同一个符号和子载波位置上，对补偿后的信道估计值进行合并，采用合并后的信道估计值进行信号功率和噪声功率的计算，从而获得信噪比的估计值，使用信噪比估计值与检测门限比较进行随机接入信号检测，超过门限的认为检测到随机接入信号。
其中，迭代的起始也可以从时偏估计开始：
第一次迭代，进行第一时偏估计，进行第一时偏估计补偿，进行第一频偏估计；
第二次迭代，进行第一频偏估计补偿，进行第二时偏估计；
第三次迭代，合并第一第二时偏估计值，获得第二总时偏，进行第二总时偏补偿，进行第二频偏估计；
第四次迭代，合并第一第二频偏估计值，获得第二总频偏，进行第二总频偏补偿，进行第三时偏估计；
依次执行迭代，直到迭代结束。
其中，迭代方式可以是每次迭代执行不只一种频偏估计方法，执行不只一种时偏估计方法，估计方法的组合可以是一个或者多个频偏估计方法，加上一个或者多个时偏估计方法。
其中，迭代次数可以是预设的次数确定；也可以是根据达到时偏或者频偏估计的精度后停止迭代。
以NB-IoT系统的NPRACH的检测为例，在NPRACH传输周期内，由5个相同符号组成一个符号组，一个Preamble内4个符号组之间采用小跳频(间隔一个子载波距离)与大跳频(间隔6个子载波距离)结构，Preamble之间采用随机跳频进行重复，其具体结构见图1所示。在终端建立无线链路实现初始接入和上行同步时，NPRACH中采用大量重复和跳频设计提升接收端NPRACH Preamble检测准确度可有效克服多径衰落信道和快速多普勒频移对通信质量的影响。本发明的具体实施过程包括如下步骤：
如附图3所示：
S1:根据资源配置从射频通道提取基带时域信号；
S2:去掉每个基带时域OFDM符号的循环前缀，采样后进行快速傅里叶变换，得到OFDM频域信号；以一个NPRACH周期作为一个完整的检测过程，在一个NPRACH周期内去掉所有Preamble时域信号的循环前缀，并把所有符号组内的符号进行8192点快速傅里叶变换，得到NPRACH周期内所有Preamble符号的频域数据；
S3:利用本地参考信号与相同位置的OFDM频域接收信号进行相关，得到对应参考信号位置的LS信道估计值；
LS信道估计表示为：
HLS(k,l)＝R(k,l)S*(k,l)；
其中R(k，l)为第k个符号组中第l个符号的频域接收信号；S(k，l)为第k个符号组中第l个符号的频域发送信号，固定值为1；
S4:利用相邻OFDM符号或间隔OFDM符号对应的参考信号位置的LS信道估计值进行相关，NPRACH信号中一个symbolGroup里面是由相同子载波位置上连续5个OFDM符号构成，可以利用同一symbol group里面相邻OFDM符号，或者同一symbol group内间隔的OFDM符号上的LS信道估计值进行相关，通过相关值的相位值获得第一频偏估计值；
Figure BDA0003067371390000091
其中HLS(k,s)为第k个符号组中第s个符号的LS信道估计值；HLS(k,s+count)为第k个符号组中第s+count个符号的LS信道估计值；NSG为NPRACH周期内所有符号组的个数；
其中count1表示进行相关操作的两个OFDM符号的间隔；
S5:利用S4获得的第一频偏估计值对S3每个OFDM符号对应的参考信号位置的LS信道估计值进行频偏补偿，使得补偿后的所有符号相位对齐到第一个符号组中的第一个符号，如图5所示。
H'(k,l)＝HLS(k,l)*exp(-j*2*pi*FO*count2)；
其中count2表示当前符号到第一个符号组中的第一个符号的间隔。
S6:基站利用同一OFDM符号的相邻参考信号载波S5步骤中获得的第一次频偏补偿后的LS信道估计结果进行相关，得到第一时偏估计值；
Figure BDA0003067371390000092
其中count3表示进行相关的数据之间的子载波的间隔，S6中利用相邻子载波，即count3取1；
上述S4～S6对应第一次迭代的处理；
S7:基站利用S6第一时偏估计值对S3的LS信道估计值进行时偏补偿，使得时偏补偿后的所有符号的相位对齐到第一个preamble的第一个符号组的第一个子载波位置，如图4所示。
H”(k,l)＝HLS(k,l)*exp(j*2*pi*TO*count4)；
其中count4表示为当前符号的子载波位置到第一个preamble的第一个符号组的第一个子载波之间的间隔；
S8:对S7获得的补偿了第一时偏之后的信道估计值，采用与间隔了符号组长度的OFDM符号对应的参考信号位置上的信道估计值进行相关，进行频偏估计，获得第二频偏估计值；
上述S7～S8对应第二次迭代的处理；
S9:合并S4获得的第一频偏值和S8获得的第二频偏值，得到第二总频偏值，使用第二总频偏估计值对S3获得的每个Preamble内的每个OFDM符号对应的参考信号位置的LS信道估计值进行频偏补偿，使得补偿后的所有符号相位对齐到当前Preamble的第一个符号组中的第一个符号；
S10:利用步骤S9获得的第二次总频偏补偿后的LS信道估计值，间隔6个子载波位置的所述信道估计值进行相关，进行时偏估计，得到第二时偏估计值；
上述S9～S10对应第三次迭代的处理；
S11:合并S6获得的第一时偏值和S10获得的第二时偏估计值，获得第二总时偏估计值；使用第二总时偏估计值对S3的LS信道估计值进行第二总时偏补偿，使得时偏补偿后的一个Nprach周期内的所有符号的相位对齐到该周期内第一个preamble的第一个symbolgroup的第一个OFDM符号的子载波位置。
S12:利用S11获得的第二次总时偏补偿后的信道估计值，对间隔NPRACHPPreamble长度的OFDM符号对应的参考信号位置上的信道估计值进行相关，进行频偏估计，获得第三频偏估计值。
上述S11～S12完成第四次迭代；
S13:合并S12获得的第三频偏估计值和S9获得的第二总频偏估计值，获得最终的第三总频偏估计值；利用第三总频偏估计值和S11获得的第二总时偏估计值，对S3的LS信道估计值进行频偏补偿和时偏补偿，使得频偏补偿后的一个Nprach周期内的所有符号的相位对齐到该周期内第一个preamble的第一个符号组的第一个OFDM符号,使得时偏补偿后的一个Nprach周期内的所有符号的相位对齐到该周期内第一个preamble的第一个符号组的第一个OFDM符号的子载波位置；
S14:对S13进行了频偏补偿和时偏补偿后获得的信道估计值进行合并，合并后的信道估计值作为最终估计的信道值，所述最终信道估计值的模值的平方为信号功率，所述最终信道值与S3的LS信道估计值的差值的模值的平方作为噪声功率，利用信号功率和噪声功率获得信噪比；
S15:使用S14获得的信噪比与检测门限比较进行随机接入信号检测，超过门限的认为检测到随机接入信号。
本发明能够用于且不限于无线通信系统中的基站、eNB、gNB、分布式基站设备、用户设备以及计算机可读存储介质。
本发明能够提升频偏和时偏的估计精度，提升随机接入信道的检测概率。
本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，可用来在具有跳频跳时图案的通信系统中，完成时偏和频偏精准估计功能，或者完成信号检测功能，在基站或者终端均可使用。凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于通信系统中的信号检测方法，其特征在于，包括步骤：
获取基带时域信号；
对时域信号进行去循环前缀，进行傅里叶变换，获取接收信号的频域信号；
对接收到的频域信号和本地参考信号进行信道估计，获得参考信号的LS信道估计值；
采用迭代的方法进行频偏估计和频偏补偿、时偏估计和时偏补偿，获得合并后的最终频偏估计和最终时偏估计值；
使用合并后的最终频偏估计值和合并后的最终时偏估计值补偿LS信道估计值，对齐到同一个符号和子载波位置上，对补偿后的信道估计值进行合并，采用合并后的信道估计值进行信号功率和噪声功率的计算，从而获得信噪比的估计值，使用信噪比估计值与检测门限比较进行随机接入信号检测，信噪比估计值超过检测门限则检测到信号。
2.根据权利要求1所述一种用于通信系统中的信号检测方法，其特征在于，采用迭代的方法进行频偏估计和频偏补偿、时偏估计和时偏补偿的内容至少包括以下迭代过程：
进行第一次迭代：进行频偏估计，获得第一频偏估计值；进行时偏估计：如果参与时偏估计的参考信号位置存在跳时，则采用第一频偏估计值和相对于同一个时域OFDM符号的时间间隔来补偿参与时偏估计的参考信号对应的信道估计值的相位，使它们的相位能够对齐到同一个OFDM符号上，再进行时偏估计，获得第一时偏估计值；
进行第二次迭代：进行频偏估计，如果参与频偏估计方法二的参考信号位置存在跳频，则使用第一时偏估计值和相对于同一个子载波位置的频域间隔来补偿参与频偏估计的参考信号对应的信道估计值，使它们的相位能够对齐到同一个子载波位置上，再利用频偏估计的方法进行频偏估计，获得第二频偏估计值；
进行第三次迭代：合并第一频偏估计值和第二频估计偏值，获得第二总频偏值，作为补偿使用的频偏值；进行时偏估计，如果参与时偏估计方法二的参考信号位置存在跳时，则采用第二总频偏估计值和相对于同一个时域OFDM符号的时间间隔来补偿参与时偏估计的参考信号对应的信道估计值的相位，使它们的相位能够对齐到同一个OFDM符号上；再利用时偏估计的方法进行时偏估计，获得第二时偏估计值；
进行第四次迭代：合并第一时偏估计值和第二时偏估计值，获得第二总时偏估计值，作为补偿使用的时偏值，进行频偏估计，如果参与频偏估计的参考信号位置存在跳频，则使用第三总时偏估计值和相对于同一个子载波位置的频域间隔来补偿参与频偏估计的参考信号对应的信道估计值，使它们的相位能够对齐到同一个子载波位置上，再利用频偏估计的方法进行频偏估计，获得第三频偏估计值。
3.根据权利要求2所述一种用于通信系统中的信号检测方法，其特征在于所述迭代的内容中，每次迭代过程采用不同的频偏估计方法和时偏估计方法，迭代停止后，合并后的频偏估计值作为最终频偏估计值，合并后的时偏估计值作为最终时偏估计值。
4.根据权利要求2所述一种用于通信系统中的信号检测方法，其特征在于，所述的迭代的起始从时偏估计开始或者从频偏估计开始。
5.根据权利要求2所述一种用于通信系统中的信号检测方法，其特征在于，每次迭代执行不只一种频偏估计方法、执行不只一种时偏估计方法，估计方法的组合为一个或者多个频偏估计方法、一个或者多个时偏估计方法作为一次迭代。
6.根据权利要求2所述一种用于通信系统中的信号检测方法，其特征在于，迭代的次数为预设的次数或者根据达到时偏估计或者频偏估计的精度后停止迭代。
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